科研简报:风电技术的发展趋势和研究挑战题目「风电发展前景」

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​中国石油大学（华东）新能源学院等单位的研究人员徐海亮、吴瀚等人，在2021年第22期《电工技术学报》上撰文，分析低短路比电网下含负序控制双馈风机稳定性研究的关键问题，从阻抗建模、稳定性分析、控制策略改进等方面，提出相应的解决方案，并对相关技术发展前景进行讨论和展望。

为了应对传统化石能源危机和由此带来的环境污染问题，开发利用新能源已成为世界各国的共识。其中，风力发电经过近二十多年的开发实践，已成为公认的最具有商业利用前景的新能源形式之一。

根据全球风能理事会的统计报告，2019年全球风电装机容量为6040万kW，同比增长19％，全球风电累计装机容量超过6.5亿kW，同比增长10％。

2019年我国风电新增并网装机2 574万kW（含陆上风电新增装机2 376万kW），同比增长21.7%，全国风电累计装机2.1亿kW（含陆上风电累计装机2.04亿kW），风电装机占全部发电装机的10.4%。风电稳固保持在我国除水电之外第一大可再生能源的战略地位。可以预见，今后一个较长时期内，风力发电仍将保持较快的增长速度。

综合国内外风电技术和产业发展态势看，有以下几个基本判断：

1）双馈仍将是陆上风机的主流机型

在各种类型的并网风机装备中，双馈型风电机组（主电路拓扑如图1所示，下文简称“双馈风机”）由于具有励磁变流器容量小、成本低、运行效率高等优点，长期占据风机市场2/3以上份额。

随着整机厂商Siemens Gamesa在2017年11月宣布其陆上风机将放弃直驱技术而推行双馈技术，国际三大风机制造商Vestas、Siemens Gamesa、GE的陆上风机将全部采用双馈技术路线。因此，围绕双馈风机的技术探索，必将继续成为未来一个时期风电领域的焦点和前沿课题。

图1 双馈风电机组主电路拓扑

2）低短路比已成风电机组接入电网的主要形态

由于我国风电资源和电力负荷的逆向分布特性，风电机组大多接入电网末端，低短路比（Short Circuit Ratio, SCR）电网或弱电网（weak grid）已成为风电机组接入电网的主要形态。然而，现有风电机组的控制系统通常基于坚强电网（stiff grid）设计，未充分考虑大规模集中式开发、远距离输送等风电开发模式下长输电线路的阻抗因素。

研究表明，即便电网电压对称，当电网阻抗不可忽略时，双馈风机与电网阻抗的交互作用也会引发系统的小干扰失稳问题。而当电网电压不对称时，电网正序、负序阻抗及其序间耦合分量，将与双馈风机网侧变流器（Grid-Side Converter, GSC）、转子侧变流器（Rotor-Side Converter, RSC）之间产生更为复杂的交互作用，其带来的失稳振荡风险亟需进行机理分析、量化评估和对策研究。

3）负序控制已经成为研究难点和关键

由不对称电网故障或者非线性的牵引供电系统负荷等引起的不对称电网事故频发。随着风电机组并网规模的增大，德国等风电强国的并网导则已明确要求并网风机需具备故障穿越和负序电流控制能力，如图2所示。

2020年上半年，我国修订版《风电场接入电力系统技术规定第1部分：陆上风电》也已将该负序控制要求写入国家标准。然而，为满足并网导则要求，风机须向电网吸收（注入）规定比例的负序（正序）无功电流，这可能会进一步加剧不对称电网下双馈风机电磁转矩的二倍频波动，进而危及齿轮箱等风机轴系的运行安全。

因此，如何协同双馈风机GSC、RSC控制，使其既满足电网导则正、负序无功电流要求，又不超出自身应力约束，成为一项关键难题。进一步地，计及负序电流控制后，双馈风机与不对称弱电网之间又会引入哪些新的失稳因子尚未可知，相关研究仍处于起步阶段，需进行理论和技术攻关。

图2 德国电网运营商VDE公司制定的标准

本文编自2021年第22期《电工技术学报》，论文标题为“低短路比电网下含负序控制双馈风机稳定性研究的几个关键问题”，作者为徐海亮、吴瀚 等。